Мусоросжигательный завод Hitachi — худшее решение переработки ТБО

Доклад лауреатов Международной премии EcoWorld-2017 сотрудников Национального исследовательского университета «МЭИ» доктора технических наук Игоря Михайловича Мазурина, инженера-эколога Веры Владимировны Понуровской и заведующего лабораторией кафедры теоретических основ теплотехники НИУ «МЭИ» Сергея Прокопьевича Колотухина «Системный анализ как основа поиска возможных вариантов решения проблемы переработки твёрдых бытовых отходов «на заседании Всероссийского общественно-экспертного совета по выходу из кризиса в сфере утилизации отходов, созданного по инициативе ИА REGNUM и Российской академии естественных наук, 28 июня 2018 года.

* * *

По состоянию на 2018 год объём ежегодного производства твёрдых бытовых отходов (ТБО) в России от 75 до 90 Мт.

Почти все ТБО в России перерабатываются на полигонах методом анаэробного брожения с длительностью цикла 20 лет. Чаще всего размещение отходов производится без предварительной сортировки. Цена услуги для жителей по приёму ТБО от 500 до 1500 руб. за тонну и зависит от близости полигона. Бесконтрольная эксплуатация полигонов в период 1991—2004 годов, когда Санэпидемнадзор был лишён своих надзорных функций, возникли серьёзные санитарные проблемы для людей в жилых районах, расположенных вблизи полигонов. Эта проблема коснулась восточных районов Москвы, подмосковных городов Балашихи и Реутова. Сегодня для решения возникших проблем предлагается купить заводы по сжиганию мусора (МСЗ) для сортировки и сжигания ТБО по зарубежной технологии.

Решение по закупке МСЗ вызывает острую полемику в обществе, поскольку три работающих завода на юге Москвы, по официальным данным, имеют значительные выбросы опасных для человека примесей в отходящих газах.

Для объективного анализа возможных решений сложной системной задачи, которой является задача переработки ТБО, воспользуемся методом системного анализа, основоположником которого является М.В. Ломоносов, который призывал избегать необдуманных гипотез и априорных суждений, а в лексике его времени «мечтательных догадок и предуверений»; выделять главные действующие причины и рассматривать явления по принципу связанности, а не только «по признакам сходства и различия». С начала прошлого века методика системного анализа широко используется в машиностроении, при решении многофакторных задач по проектированию инженерных сооружений и в целом ряде других отраслей.

Главным вопросом начального этапа выбора процесса переработки ТБО является выбор скорости процесса. Условно скорость может быть быстрой, средней и медленной. Соответственно и технологии по главному параметру называют быстрой, средней и медленной.

* * *

Быстрые технологии — пиролиз, сжигание и плазменная обработка. Температура процессов в диапазоне 850−2500^оС. Экспозиция для окисления углеводородов — секунды. Необходимое условие успеха — постоянство состава перерабатываемых отходов, отсутствие в них галогенов (F, Cl, Br, I) и токсичных металлов (Hg, Cd, As и пр.). При очистке отходящих газов возникают проблемы с удалением NOx и диоксинов. Кроме того, при сжигании ТБО 15−25% от массы исходного сырья превращается в шлаки, для которых необходимы полигоны для захоронения, поскольку они небезопасны для окружающей среды.

* * *

Средняя по скорости технология — процесс каталитического окисления. Температура в диапазоне 500−700^оС. Экспозиция для окисления углеводородов — минуты. Сортировка обязательна. Необходимо постоянное добавление древесного угля или торфяного полукокса, используемых в качестве катализатора. Шлаки не образуются, поскольку происходит полное окисление углеводородов до СО₂ и Н₂О. Зольные остатки могут использоваться в качестве удобрений. Нет необходимости в сложных и дорогих системах очистки отходящих газов.

* * *

Медленная технология — процесс анаэробного брожения. Температура процесса в диапазоне 50−80^оС. Экспозиция для окисления углеводородов — месяцы и годы (до 20 лет). В отходящих газах нет ядовитых и пахучих компонентов. Проблемы связаны с отчуждением земли для организации полигонов и удалением жидкофазного фильтрата. Необходимо строгое соблюдение режима по СНиП и СанПиН, особенно в части температуры тела полигона. Процесс хорошо изучен в России, экономически более выгоден в сравнении с быстрыми процессами, безопасен при условии соблюдения режима. В Европе применяется в редких случаях из-за высокой цены отчуждаемой земли.

* * *

Сегодня внимание сконцентрировано на процессе сжигания органической составляющей мусора, который, по разным причинам, преподносится как наиболее эффективный со всех точек зрения среди так называемых наилучших доступных технологий переработки ТБО. На самом деле предлагаемая технология не нова. В России аналогичный способ воспроизводится с 90-х годов по отечественному патенту при изготовлении установки «ЭЧУТО», которая предназначена для уничтожения медицинских отходов. Установка изготавливается серийно в России на двух заводах. За рубежом по этой же технологи работают мусоросжигательные заводы, имеющие годовую производительность до 700 тыс. тонн мусора. Процесс сжигания ТБО выполняется при дополнительном нагреве сортированного сырья от внешнего источника (природного газа, мазута или дизельного топлива) до температуры 850−1200^оС при интенсивной подаче избыточного (от стехиометрического соотношения) горячего воздуха.

При выходе из горячей зоны сжигания поток отходящих газов охлаждают для создания условий очистки от окислов азота, ароматических углеводов, альдегидов, диоксинов и других ядовитых соединений. Эту задачу в цикле решают за счёт нагрева воды в котлах до состояния перегретого пара с последующей генерации электроэнергии. А в остывший поток отходящих газов вдувают мелкодисперсную соду для удаления окислов азота и молотый буроугольный кокс для сорбции диоксинов и ароматических углеводородов. Затем их отлавливают на рукавных фильтрах. Дальнейшая судьба этих веществ в описании цикла не обсуждается, хотя вопрос неизбежной десорбции диоксинов с поверхности буроугольного кокса может представить исключительно сложную проблему.

Принципиально очистка отходящих газов от диоксинов после сжигания до относительно безопасного уровня (10^-10г/м³) возможна сорбционными методами, но при больших расходах сорбента, затратах времени и энергии. Необходимый уровень ПДК в воздухе (10^-12 г/м³) для диоксинов при этом достигается лишь на расстоянии 0,5−1 км от среза отводящей трубы за счёт разбавления отходящих газов в атмосферном воздухе. Это и явилось основной причиной отказа в дальнейшей разработке крупнотоннажных процессов переработки ТБО в СССР в 70−80-х годах прошлого века. Быстрый процесс сжигания ТБО можно считать тупиковым, поскольку загрязнение почвы долгоживущими диоксинами очень быстро делают прилегающие территории непригодными для жизни людей и теплокровных домашних животных. Эти неизбежные последствия и являются причиной массового закрытия мусоросжигающих заводов в Европе и США. При этом нужно помнить, что концентрация диоксинов в почве вокруг МСЗ будет непрерывно нарастать с каждым годом на протяжении всего времени его эксплуатации, так как диоксины естественным образом распадаются в почве в течение 100 лет.

В целом процесс энергетически не эффективен, дорог и не имеет надёжных решений по очистке отходящих газов от диоксинов до уровня ПДК, а также по оперативному анализу диоксинов и фуранов в технологическом процессе. Текущий анализ диоксинов в мире пока не имеет решения. Реальный срок задержки результата анализа от момента отбора пробы составляет не менее суток.

* * *

Процесс каталитического окисления углеводородных ТБО исследован в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского в 1940—1950-х годах прошлого века профессором Марком Борисовичем Равичем для переработки высокомолекулярных органических веществ, вплоть до мазутов и асфальтенов. Физическая схема процесса построена на использовании древесного угля, получаемого после пиролиза торфа или древесины (техническое название — полукокс), который служит в качестве источника тепловой энергии и катализатора для небыстрого и полного окисления высокомолекулярных углеводородов. Для выполнения этой задачи углеводороды смешиваются с полукоксом и прессуются в брикеты и высушиваются. Полученные брикеты затем используют в качестве бездымного топлива, не дающего пламени при окислении и отдающего тепло в виде инфракрасного излучения. При окислении выделяются влага и СО₂ без NОх и СО. Брикеты исключительно выгодны для обогрева теплиц, поскольку при сгорании образуются нужные для растений углекислота и калийные удобрения в виде К₂СО₃ и Na₂CO₃. Проблемный вопрос технологии — получение торфяного полукокса или древесного угля.

* * *

Процесс анаэробного брожения органической составляющей ТБО очень хорошо известен в силу значительного опыта по его использованию в России в течение более чем полувека. Технология процесса хорошо проработана и имеет подробное документальное сопровождение в виде Строительных Норм и Правил (СНиПов). Если следовать этим документам, то никаких проблем с окружающей средой и здоровьем людей не возникает. Это подтверждается опытом прежних лет, когда в 1950-е годы в черте сегодняшней Москвы существовал полигон рядом с заводом «Станколит», и в прилегающих кварталах никакого запаха или дыма от горящего мусора никогда не наблюдалось, поскольку строго соблюдался регламент. Технология анаэробного брожения на полигонах предельно проста. Отсортированные ТБО выкладываются послойно с землёй на подготовленную площадку. Через один-два месяца начинается процесс брожения с постепенным нагревом всей массы. При температуре 40−60^оС выделяются СО₂ и N₂. При увеличении температуры изменяется состав газов:

— При температуре 70−80^оС выделяются СО₂ и Н₂;

— При температуре 90−100^оС выделяется СО₂;

— При 110−120^оС выделяются С_nH_m 2-го класса опасности и СО₂.

В общей оценке — это длительный (до 20 лет) процесс с умеренным нагревом, известный в сельской практике, как компостирование. Его главное преимущество в том, что при его осуществлении не требуется очистные сооружения для отходящих газов. Но при этом необходимо строго соблюдать регламент СНиПа и выполнять сортировку мусора с выделением органической составляющей. Кроме того, процесс требует минимума капитальных затрат в сравнении с другими известными технологиями.

Если рассматривать необходимые условия осуществления любой технологии переработки ТБО, то здесь необходим инструментарий системного анализа, коим является карта решений, представленная ниже.

При рассмотрении карты решений по необходимым условиям реализации, становятся очевидными причины проблем, возникших у населения, живущих рядом с неконтролируемыми полигонами. Но не менее интересен и вывод о цене услуги по приёму мусора в переработку от населения. С этой точки зрения старая технология переработки мусора на полигонах с контролем за технологией выполнения СНиПов, представляется пока наиболее подходящей, поскольку предлагаемое сжигание на МСЗ пока ещё не имеет достоверных данных по безопасности этой «передовой» технологии, а цена услуги по переработке одной тонны ТБО в Швейцарии составляет 900 швейцарских франков, то есть более 55 тыс. рублей.

Если рассматривать массовые балансы по выбросам диоксинов из работающих в Москве МСЗ, то по официальным данным в 2009 году три МСЗ выбросили 161 г диоксинов (письмо министра Минприроды Юрия Трутнева в адрес Эллы Панфиловой №01−1206/8192 от 17.06.2009).

Известно, что в РФ для диоксинов ПДК в воздухе 0,5×10^-12 г/м³ (0,5пг/м³). Концентрация диоксинов в воздухе МСЗ №3 в 2008 году по данным Минприроды была 0,1 пг/м³. Для разбавления 161 грамма диоксинов до 0,1 пг/м³ требуется воздуха 1,6×10¹⁵м³ в год. Часовой расход воздуха трёх МСЗ при этом должен составить — 1,82×10¹¹ м³. Вероятно, что концентрация диоксинов была значительно выше ПДК, или пробу воздуха отбирали на большом удалении от трубы.

По проекту МСЗ в Могутово выброс диоксинов в год составит 0,35 г. Поскольку их молекулярная масса не ниже 250 а.е.м., то все они окажутся в земле недалеко от трубы в шлейфе по розе ветров.

При шлейфе размером 16 км х 5 км = 80 км², то есть 80 млн м², глубине входа диоксинов в землю — 0,3 м и весе 1 м² заражённой земли приблизительно 30 кг, общая масса земли в шлейфе рассеяния диоксинов будет равна — 2,4×10⁹ кг, то есть 2,4 млн тонн.

Расчётная концентрация диоксинов в земле за один год при выбросе 0,35 г может составить 1,5×10^-10 г/кг (то есть 150 пг/кг) при том, что ПДК диоксинов в земле равна от 0,03 до 0,1 пк/г в США, а в Европе значительно выше — до 5 пк/г.

В России пока нет норматива на содержание диоксинов в земле. Но при этом существуют и Росприроднадзор от Минприроды, и Роспотребнадзор от Правительства РФ, для которых уровень загрязнения почвы диоксинами крайне важен, поскольку эти обе организации должны заботиться о здоровье людей, живущих на земле России. Всё дело в том, что диоксины по пищевой цепочке через растения попадают в молоко и мышечную ткань домашних животных, а затем и в человека. Накапливаются в нём до определённого уровня, и при ослаблении иммунитета, вызывают онкологические заболевания. В итоге на почвах, загрязнённых диоксинами, молочное и мясное животноводство вести нельзя.

Если обратить внимание на экономические последствия покупки за рубежом мусоросжигательнывх заводов, аналогов тех, что предлагаются для Могутово в Наро-Фоминском районе, то надо отметить, что рынок оборудования для переработки ТБО в России имеет такие показатели:

— мусоросортировочных заводов — 250−300 ед. Цена около €10 млрд;

— мусоросжигательных заводов — 250−300 ед. Цена около €10 млрд;

— ежегодный сервис и расходные материалы приблизительно 10%, то есть €2 млрд;

— планируемая удельная прибыль МСЗ по данным Минприроды — 870 руб. с тонны ТБО;

— прогноз цены услуги по сжиганию мусора (при 15% прибыли) — 5800 руб. за тонну ТБО;

— прогноз цены сортировки и транспортировки — 500−1500 руб. за тонну.

При этом отечественный рынок оборудования для переработки ТБО утрачивается полностью.

Импортозамещение возможно исключительно для котельного оборудования и машин для генерации электроэнергии. Сумма потерь €20−25 млрд. Будет потеряно не менее 300 тыс. рабочих мест.

Если сравнить ситуацию начала середины 1980-х годов по озоновой проблеме с сегодняшней проблемой переработки ТБО, то можно отметить много общего в развитии событий. Эта аналогия представлена ниже в карте решений по анализу аналогий.

Этапыразработки

Озоновая проблема (начиная с 1985 года)

Проблема переработки ТБО (начиная 2016 года)

* * *

Выводы

На основе далеко не полного системного анализа, изложенного в статье, можно сделать следующие выводы:

1. Главным вопросом проблемы переработки ТБО является вопрос обеспечения конституционных гарантий по безопасности человека для любой из выбранных схем переработки.

2. Главным условием успешного решения проблемы переработки ТБО является привлечение к работе учёных-прикладников, имеющих опыт решения аналогичных задач и создание нормальных условий для их работы.

3. Закупка устаревшей зарубежной технологии сжигания мусора, подобной используемой на мусоросжигательных заводах Hitachi Zosen Inova AG, выбранных для реализации федерального проекта «Чистая страна», является наиболее нецелесообразным решением проблемы с большими экономическими потерями.

Для решения проблемы переработки мусора в ближайшее время необходимо:

1. Создать достаточное количество заводов по сортировке мусора.

2. Навести порядок в работе действующих полигонов, для чего предусмотреть в структуре тарифов средства на выполнение требования советского СанПиН по ежедневному пересыпанию землёй поступающего на полигон мусора, а также на применение безопасной технологии утилизации свалочных фильтратов. Эти затраты в любом случае будут намного меньше стоимости активно продвигаемых технологий активной дегазации мусорных полигонов и сжигания свалочного газа в факелах или в двигателях внутреннего сгорания свалочных ТЭС, многолетний опыт применения которых в США показал нарастание загрязнения местности диоксинами, образующимися при сжигании свалочного газа.

3. Создать единую госструктуру по переработке ТБО с функциями финансирования разработок и изготовления отечественного мусороперерабатывающего оборудования.

4. Вернуть надзорные функции контроля за безопасностью здоровья населения от воздействия техногенных факторов профессиональным санитарным медикам в составе Санэпидемнадзора, наделив его прежними правами в отношении виновников техногенных нарушений.

5. Создать методики анализа по диоксинам и фуранам для контроля загрязнения почвы и воды.

6. Ввести, наконец, ПДК диоксинов и фуранов в воде и почвах и создать аналитические лаборатории с необходимым оборудованием и подготовленным персоналом, которые смогут обеспечить контроль за работой всех МСЗ и других предприятий в соответствии с требованиями Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях.

7. Выполнить научные исследования по анализу последствий работы трёх работающих мусоросжигательных заводов в Москве.

8. Разработать технологию рекультивации заражённых диоксинами земель, и только после этого, на основе законченных НИОКР, выбирать более эффективные, в сравнении с анаэробным брожением на полигонах, отечественные технологии переработки и утилизации ТБО.

9. До этого момента пользоваться технологией анаэробного брожения с соблюдением и контролем исполнения регламента СНиПов и СанПиНов, так как поспешный выбор вариантов технологий переработки ТБО может создать ещё более опасные последствия для населения, чем существующие ныне.